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程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，也是运行最快的区域，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

程序计数器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令**。

在多线程切换的时候为了能够切换后恢复到正确的执行位置，每条线程都有一条独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为「线程私有」的内存。

如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError 情况的区域。

Java 虚拟机栈

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。即：栈解决程序的运行问题，程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储问题，即数据怎么放、放在哪儿。

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

可通过 -Xss 设置栈的大小。

人们通常把Java内存区域笼统的划分为堆内存和栈内存，这种方式过于粗糙，栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈，或者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[插图]，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError 异常。

问题

  • 分配的栈内存越大越好吗？

不是，因为Java 虚拟机栈是线程私有的，物理内存是固定的，分配越大越会挤占其他线程的栈内存。

  • 方法中定义的局部变量是否存在线程安全？

具体问题具体分析：在方法内部自己创建，自己消亡是线程安全的；如果返回值或者是外部传参，是线程不安全的。

  2. package com.dragon.jvm.runtimedata;
  4. /**
  5.  * 面试题：
  6.  * 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体情况具体分析
  7.  *
  8.  * 何为线程安全？
  9.  *     如果只有一个线程可以操作此数据，则毙是线程安全的。
  10.  *     如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题
  11.  *
  12.  * StringBuffer是线程安全的，StringBuilder不是
  13.  */
  14. public class StringBuilderTest {
  16.     //s1的声明方式是线程安全的
  17.     public static void method1(){
  18.         StringBuilder s1 = new StringBuilder();
  19.         s1.append("a");
  20.         s1.append("b");
  21.     }
  23.     //stringBuilder的操作过程：是不安全的，因为method2可以被多个线程调用
  24.     public static void method2(StringBuilder stringBuilder){
  25.         stringBuilder.append("a");
  26.         stringBuilder.append("b");
  27.     }
  29.     //s1的操作：是线程不安全的 有返回值，可能被其他线程共享
  30.     public static StringBuilder method3(){
  31.         StringBuilder s1 = new StringBuilder();
  32.         s1.append("a");
  33.         s1.append("b");
  34.         return s1;
  35.     }
  37.     //s1的操作：是线程安全的 ，StringBuilder的toString方法是创建了一个新的String，s1在内部消亡了
  38.     public static String method4(){
  39.         StringBuilder s1 = new StringBuilder();
  40.         s1.append("a");
  41.         s1.append("b");
  42.         return s1.toString();
  43.     }
  45.     public static void main(String[] args) {
  46.         StringBuilder s = new StringBuilder();
  47.         new Thread(()->{
  48.             s.append("a");
  49.             s.append("b");
  50.         }).start();
  52.         method2(s);
  54.     }
  55. }

栈的优点

  • 栈是一种快速有效的分配方式，访问速度仅次于程序计数器。
  • JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个：
    • 每个方法执行，伴随着进栈
    • 执行结束后的出栈工作
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题

    本地方法栈

    本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

Java 堆

对于 Java 应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，也被称为「GC 堆」。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。

  • 数组或对象实例永远不会存储在栈上，因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。
  • 在方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除
  • 静态变量存储在堆上；静态变量对应的实例对象在堆上，静态变量名信息也在堆上。

Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量**、**静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

总结

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参考

  • 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》